LED知識

LED照明燈具參數
14-01-22
   LED是操縱化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學本性:I-V本性、C-V本性和光學本性:光譜響應本性、發光光強指向本性、時間本性以及熱學本性。
  1、LED電學本性
  1.1I-V本性表征LED芯片pn結制備遵從首要參數。LED的I-V本性具有非線性、整流本質:單導游電性,即外加正偏壓表示低交兵電阻,反之為高交兵電阻。
  (1)正向死區:(圖oa或oa′段)a點對付V0為關閉電壓,當V
  (2)正向任務區:電流IF和外加電壓呈指數干連
  IF=IS(eqVF/KT–1)-------------------------IS為反向飽和電流。
  V>0時,V>VF的正向任務區IF隨VF指數上升IF=ISeqVF/KT
  (3)反向死區:V<0時pn結加反偏壓
  V=-VR時,反向漏電流IR(V=-5V)時,GaP為0V,GaN為10uA。
  (4)反向擊穿區V<-VR,VR喻為反向擊穿電壓;VR電壓對應IR為反向漏電流。當反向偏壓不停增進使V<-VR時,則泛起IR俄然增進而泛起擊穿現象。由于所用化合物材料種別差距,各種LED的反向擊穿電壓VR也差距。
  1.2C-V本性
  鑒于LED的芯片有9×9mil(250×250um),10×10mil,11×11mil(280×280um),12×12mil(300×300um),故pn結面積大小紛歧,使其結電容(零偏壓)C≈n+pf支配。
  C-V本性呈二次函數干連(如圖2)。由1MHZ交流信號用C-V本性測試儀測得。
  1.3最大允許功耗PFm
  當流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率損耗為P=UF×IF
  LED任務時,外加偏壓、偏流未必促使載流子復合分發光,還有一一部分變為熱,使結溫上漲。若結溫為Tj、外部狀況溫度為Ta,則當Tj>Ta時,內情熱量借助管座向外傳熱,閑逸熱量(功率),可表示為P=KT(Tj–Ta)。
  1.4響合時間
  響合時間表征某一表示器跟蹤外部動態變卦的快慢。現有幾種表示LCD(液晶表示)約10-3~10-5S,CRT、PDP、LED都達到10-6~10-7S(us級)。
  ①響合時間從使用角度來看,就是LED點亮和燃燒所拖延的時間,即圖中tr、tf。圖中t0值很小,可忽略。
  ②響合時間首要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。
  LED的點亮時間——上升時間tr是指接通電源使發亮光度達到畸形的10%開始,不停到發亮光度達到畸形值的90%所經歷的時間。
  LED燃燒時間——降落時間tf是匡畸形發光減弱至副本的10%所經歷的時間。
  差距材料制得的LED響合時間各不同樣;如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響合時間<10-9S,GaP為10-7S。是以它們可用在10~100MHZ高頻體系。
  2、LED光學本性
  發光二極管有紅外(非可見)和可見光兩個系列,前者可用輻射度,后者可用光度學來量度其光學本性。
  2.1發光法向光強及其角分布Iθ
  2.1.1發光強度(法向光強)是表征發光器件發光強弱的緊要遵從。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝,由于 凸透鏡的感化,故都具有很強指向性:位于法向方向光強最大,其和程度面交角為90°。當偏離處死向差距θ角度,光強也隨之變卦。發光強度隨著差距封裝形態 而強度交付角方向。
  2.1.2發光強度的角分布Iθ是刻畫LED發光在空間各個方向上光強分布。它首要取決于封裝的工藝(包含支架、模粒頭、環氧樹脂中增長散射劑和否)
  ⑴為獲得高指向性的角分布(如圖1)
  ①LED管芯位子離模粒頭遠些;
  ②使用圓錐狀(槍彈頭)的模粒頭;
  ③封裝的環氧樹脂中勿加散射劑。
  采用上述措施可使LED2θ1/2=6°支配,大大進步了指向性。
  ⑵當前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2角)圓形LED:5°、10°、30°、45°
  2.2發光峰值波長及其光譜分布
  ⑴LED發光強度或光功率輸入隨著波長變卦而差距,繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線必定往日,器件的無關主波長、純度等干系色度學參數亦隨之而定。
  LED的光譜分布和制備所用化合物半導體種別、本質及pn結布局(外延層厚度、攙和雜質)等無關,而和器件的許多多少形態、封裝方式無關。
  LED光譜分布曲線
  1藍光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O
  4紅外GaAs5Si光敏光電管6規范鎢絲燈
  ①是藍色InGaN/GaN發光二極管,發光譜峰λp=460~465nm;
  ②是綠色GaP:N的LED,發光譜峰λp=550nm;
  ③是紅色GaP:Zn-O的LED,發光譜峰λp=680~700nm;
  ④是紅外LED使用GaAs材料,發光譜峰λp=910nm;
  ⑤是Si光電二極管,一般作光電接收用。
  不管甚么材料制成的LED,都有一個相對光強度最強處(光輸入最大),和之相對應有一個波長,此波長叫峰值波長,用λp表示。只需單色光才有λp波長。
  ⑵譜線寬度:在LED譜線的峰值雙側±△λ處,存在兩個光強就是峰值(最大光強度)一半的點,此兩點分袂對應λp-△λ,λp+△λ之間寬度叫譜線寬度,也稱半功率寬度或半高寬度。
  半高寬度反映譜線寬窄,即LED單色性的參數,LED半寬小于40nm。
  ⑶主波長:有的LED發光不單是繁多色,即不單有一個峰值波長;乃至有多個峰值,并不是單色光。為此刻畫LED色度本性而引入主波長。主波長就是人眼所能察看到的,由LED分發首要單色光的波長。單色性越好,則λp也就是主波長。
  如GaP材料可分發多個峰值波長,而主波長只需一個,它會隨著LED長期任務,結溫上漲而主波長偏向長波。
  2.3光通量
  光通量F是表征LED總光輸入的輻射能量,它標識表記標幟器件的遵從優劣。F為LED向各個方向發光的能量之和,它和任務電流直接無關。隨著電流增進,LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明(lm)。
  LED向外輻射的功率——光通量和芯片材料、封裝工藝程度及外加恒流源大小無關。當前單色LED的光通量最或是大概1lm,白光LED的F≈1.5~1.8lm(小芯片),對付1妹妹×1妹妹的功率級芯片制成白光LED,其F=18lm。
  2.4發光死守和視覺靈便度
  ①LED死守有內情死守(pn結附近由電能轉化成光能的死守)和外部死守(輻射到外部的死守)。前者只是用來剖析和評價芯片優劣的本性。
  LED光電最緊要的本性是用輻射出光能量(發光量)和輸入電能之比,即發光死守。
  ②視覺靈便度是使用照明和光度學中一些參量。人的視覺靈便度在λ=555nm處有一個最大值680lm/w。若視覺靈便度記為Kλ,則發光能量P和可見光通量F之間干連為P=∫Pλdλ;F=∫KλPλdλ
  ③發光死守——量子死守η=發射的光子數/pn結載流子數=(e/hcI)∫λPλdλ
  若輸入能量為W=UI,則發光能量死守ηP=P/W
  若光子能量hc=ev,則η≈ηP,則總光通F=(F/P)P=KηPW式中K=F/P
  ④流明死守:LED的光通量F/外加耗電功率W=KηP
  它是評價具有外封裝LED本性,LED的流明死守高指在相同外加電流下輻射可見光的能量較大,故也叫可見光發光死守。
  如下列出幾種常見LED流明死守(可見光發光死守):
  LED發光顏色λp(nm)材料可見光發光死守(lm/w)外量子死守
  最高值均勻值
  紅光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2
  黃光590GaP:N-N0.450.1
  綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15
  藍光465GaN10
  白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6,大芯片18
  風致優良的LED要求向外輻射的光能量大,向外分發的光盡大概多,即外部死守要高。后果上,LED向外發光僅是內情發光的一一部分,總的發光死守應為
  η=ηiηcηe,式中ηi向為p、n結區少子注入死守,ηc為在勢壘區少子和多子復合死守,ηe為外部出光(光掏出死守)死守。
  由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當芯片分發光在晶體材料和空氣界面時(無環氧封裝)若垂直入射,被空氣反射,反射率為(n1-1)2/(n1+1)2=0.32,反射出的占32%,鑒于晶體本人對光有相稱一一部分的吸引,是以大大低落了外部出光死守。
  為了進一步進步外部出光死守ηe可采用如下措施:①用折射率較高的無色材料(環氧樹脂n=1.55并不志向)籠蓋在芯片輪廓;②把芯片晶體輪廓加工成半球形;
  ③用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸引。有人已經用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽,可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED死守進步4~6倍。
  2.5發亮光度
  亮度是LED發光遵從又一緊要參數,具有很強方向性。其處死線方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上發光體輪廓亮度就是發光體輪廓上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量,單位為cd/m2或Nit。
  若光源輪廓是志向漫反射面,亮度BO和方向無關為常數。清朗的藍天和熒光燈的輪廓亮度約為7000Nit(尼特),從地面看太陽輪廓亮度約為14×108Nit。
  LED亮度和外加電流密度無關,一般的LED,JO(電流密度)增進BO也同樣增大。另外,亮度還和狀況溫度無關,狀況溫度上漲,ηc(復合死守)降落,BO減小。當狀況溫度波動,電流增大足以引起pn結結溫上漲,溫升后,亮度呈飽和形態。
  2.6壽命
  老化:LED發亮光度隨著耐久任務而泛起光強或亮光度衰減現象。器件老化程度和外加恒流源的大小無關,可刻畫為Bt=BOe-t/τ,Bt為t時間后的亮度,BO為初始亮度。
  一般把亮度降到Bt=1/2BO所經歷的時間t喻為二極管的壽命。測定t要花很長的時間,一般以推算求得壽命。 測量門徑:給LED通以未必恒流源,撲滅103~104小時后,先后測得BO,Bt=1000~10000,代入Bt=BOe-t/τ求出τ;再把 Bt=1/2BO代入,可求出壽命t。
  長期以來總認為LED壽命為106小時,這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開拓應用,國外學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的根據。如LED的光衰減為副本35%,壽命>6000h。
  3、熱學本性
  LED的光學參數和pn結結溫有很大的干連。一般任務在小電流IF<10mA,大概10~20mA耐久連氣兒點 亮LED溫升不顯著。若狀況溫度較高,LED的主波長或λp就會向長波長漂移,BO也會降落,十分是點陣、大表示屏的溫升對LED的可靠性、執著性影響應 特地打點散射通風裝置。
  LED的主波長隨溫度干連可表示為λp(T′)=λ0(T0)+△Tg×0.1nm/℃
由式可知,每當結溫上漲10℃,則波長向長波漂移1nm,且發光的平均性、差距性變差。這對付作為照明用的燈具光源要求小型化、密集分列以進步單位面積上的光強、亮光度的打點十分應留神用散熱好的燈具外殼或特地通用裝備、確保LED長期任務。
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